鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估綜述

吳盛軍，袁曉冬，徐青山，陳 兵，李 強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096)

鋰電池的可靠性和安全性是電池應(yīng)用最關(guān)注的問(wèn)題，特別是大容量應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)電池的健康狀態(tài)(SOH)評(píng)估和預(yù)測(cè)可減少甚至避免電池濫用和安全事故發(fā)生。

鋰電池的老化是一個(gè)長(zhǎng)期漸變的過(guò)程，電池的健康狀態(tài)受溫度、電流倍率、截止電壓等多種因素影響。目前電池健康狀態(tài)的研究和建模分析等已有一定成果，相關(guān)的研究包括電池退化機(jī)理與老化因素分析[1-2]、電池的健康管理[3]、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與估計(jì)[4]、電池壽命預(yù)測(cè)[5]等，然而鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估方面仍缺少比較完善的歸納和綜述。本文從電池健康狀態(tài)的定義、影響因素、評(píng)估模型、研究難點(diǎn)和研究意義五個(gè)方面比較系統(tǒng)地介紹了電池健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。

1 電池健康狀態(tài)定義

電池SOH表征當(dāng)前電池相對(duì)于新電池存儲(chǔ)電能的能力，以百分比的形式表示電池從壽命開(kāi)始到壽命結(jié)束期間所處的狀態(tài)，用來(lái)定量描述當(dāng)前電池的性能狀態(tài)。電池的性能指標(biāo)較多，國(guó)內(nèi)外對(duì)SOH有多種定義，概念上缺乏統(tǒng)一，目前SOH的定義主要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等幾個(gè)方面。

1.1 容量定義SOH

采用電池容量衰減定義SOH[6]的文獻(xiàn)最多，給出的SOH定義如下：

式中：Caged為電池當(dāng)前容量；Crated為電池額定容量。

1.2 電量定義SOH

用電量定義SOH[7-8]與容量定義相似，因?yàn)殡姵氐念~定容量有實(shí)際有效容量和最大容量，電池的實(shí)際容量與標(biāo)稱(chēng)額定容量有些差異，所以有文獻(xiàn)從電池放電電量的角度定義SOH。

式中：Qaged-max為當(dāng)前電池最大放電電量；Qnew-max為新電池最大放電電量。

1.3 內(nèi)阻定義SOH

電池的內(nèi)阻增大是電池老化的重要表現(xiàn)，也是電池進(jìn)一步老化的原因，不少文獻(xiàn)采用內(nèi)阻定義SOH[9]。

式中：REOL為電池壽命結(jié)束時(shí)的內(nèi)阻；RC為當(dāng)前電池的內(nèi)阻；Rnew為新電池的內(nèi)阻。

1.4 剩余循環(huán)次數(shù)定義SOH

除了采用容量和內(nèi)阻等電池性能指標(biāo)定義SOH外，也有文獻(xiàn)用電池剩余的循環(huán)次數(shù)定義電池的SOH[2]。

式中：Cntremain為電池剩余循環(huán)次數(shù)；Cnttotal為電池的總循環(huán)次數(shù)。

以上4種電池的SOH定義在文獻(xiàn)中較為常見(jiàn)。容量和電量定義可操作性強(qiáng)，但容量為電池的外在表現(xiàn)，而內(nèi)阻和剩余次數(shù)定義的可操作性不強(qiáng)，內(nèi)阻與SOC、溫度有關(guān)，不易測(cè)量，剩余循環(huán)次數(shù)和總循環(huán)次數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2 鋰電池健康狀態(tài)影響因素

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有很多文獻(xiàn)研究鋰電池老化機(jī)理和規(guī)律，普遍認(rèn)為鋰離子沉積、SEI膜增厚和活性物質(zhì)損失等是造成電池老化和容量衰減的主要原因[10-11]。鋰電池的濫用會(huì)加速電池老化，電池的正常充放也會(huì)影響電池健康狀態(tài)，加速電池老化。

2.1 溫度對(duì)電池SOH的影響

溫度通常被認(rèn)為是影響電池健康狀態(tài)的主要因素，溫度對(duì)電池的性能有雙重影響，一方面高溫會(huì)加快電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度，提升電池的效率和性能，同時(shí)高溫也會(huì)加速一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，造成電池的活性物質(zhì)減少，引起電池的老化和容量衰減[12-13]。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高溫會(huì)加快電池電極的SEI膜增長(zhǎng)，鋰離子穿透SEI膜難度增加，等效為電池內(nèi)阻增大。

2.2 充放電電流倍率對(duì)電池SOH的影響

充放電倍率會(huì)影響電池的壽命，文獻(xiàn)[14]以1C、2C和3C三種不同放電倍率對(duì)索尼18650電池進(jìn)行300次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其電池容量分別衰減9.5%、13.2%和16.9%，電池內(nèi)阻分別增加12.4%、18.3%和27.7%，同時(shí)高倍率放電會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生更多的熱量，加速電池老化，電子顯微鏡下觀察到高倍率電池放電的電極表面SEI膜比低倍率放電的要厚。

2.3 放電深度對(duì)電池SOH的影響

電池充放電深度對(duì)電池健康和老化有影響，有觀點(diǎn)認(rèn)為電池有累計(jì)的總轉(zhuǎn)移能量，基于總轉(zhuǎn)移能量進(jìn)行電池的容量衰減和老化分析[12]。高飛等[15]通過(guò)對(duì)鋰電池不同放電深度的循環(huán)測(cè)試，分析電池的累積轉(zhuǎn)移能量與電池容量衰減之間的關(guān)系，得出電池容量衰減到85%之前，電池累計(jì)轉(zhuǎn)移的能量在深充深放與淺充淺放這兩種模式下基本相同，當(dāng)電池容量衰減到85%～75%時(shí)，電池累計(jì)轉(zhuǎn)移的能量和能量效率上深充深放模式都優(yōu)于淺充淺放的模式。

2.4 循環(huán)區(qū)間對(duì)電池SOH的影響

電池充放電循環(huán)區(qū)間也會(huì)影響電池老化過(guò)程，循環(huán)區(qū)間不同對(duì)應(yīng)的充放電電池內(nèi)阻不一樣，因此循環(huán)過(guò)程中電池發(fā)熱和反應(yīng)略有不同，長(zhǎng)期將影響電池的健康和老化[1]。因此有專(zhuān)家建議電池SOC范圍在20%～80%，這樣有利于電池健康和循環(huán)壽命。

2.5 充放電截止電壓對(duì)電池SOH的影響

電池的過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)電池健康產(chǎn)生影響，不恰當(dāng)?shù)碾妷荷舷藓碗妷合孪迣?duì)電池都有影響。放電截止電壓越低，電池內(nèi)阻越大，造成電池內(nèi)部發(fā)熱，同時(shí)引起副反應(yīng)增加，電池活性物質(zhì)減少和負(fù)極石墨片層出現(xiàn)塌陷，電池加速老化和容量衰減。過(guò)高的充電截止電壓引起電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部發(fā)熱增加，過(guò)度充電引起負(fù)極產(chǎn)生“析鋰”現(xiàn)象以及相應(yīng)的副反應(yīng)增加，影響電池的容量和老化[16]。

綜上，電池運(yùn)行的溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區(qū)間和充放電截止電壓等都會(huì)對(duì)電池的健康狀態(tài)和壽命產(chǎn)生影響。目前，電池健康狀態(tài)影響因素研究處于定性研究階段，這些影響因素對(duì)電池老化的定量分析以及各因素相互耦合關(guān)系是研究的難點(diǎn)，也是未來(lái)電池健康和壽命研究熱點(diǎn)。

3 鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估模型

鋰電池的健康狀態(tài)無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量獲取，電池健康狀態(tài)可通過(guò)模型評(píng)估得到，電池的老化和健康受多種因素共同影響，目前鋰電池的健康狀態(tài)評(píng)估模型主要有電化學(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N。

3.1 電化學(xué)模型

電化學(xué)模型從電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理出發(fā)分析電池運(yùn)行過(guò)程中的健康狀態(tài)變化，考慮電池的老化因素對(duì)電池內(nèi)外部狀態(tài)變量(溫度、電流倍率、截止電壓等)的影響。鋰電池電化學(xué)模型研究包括基于SEI機(jī)理模型、電化學(xué)第一原理模型、單因子和多因子綜合電化學(xué)模型的復(fù)雜電化學(xué)模型等[17-20]。文獻(xiàn)[6]根據(jù)電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)電池循環(huán)的SEI膜電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合關(guān)聯(lián)，提出了一種考慮電池性能下降和活性物質(zhì)減少對(duì)電池容量衰減的半經(jīng)驗(yàn)電化學(xué)模型。文獻(xiàn)[11]基于電化學(xué)第一性原理建立了電池老化的仿真模型，考慮了活性物質(zhì)損失、截止電壓和放電深度等因素，并進(jìn)行了量化分析。

電化學(xué)模型評(píng)估電池健康狀態(tài)具有物理意義清晰、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，但電化學(xué)模型包含較多的電池內(nèi)部參數(shù)和反應(yīng)方程，計(jì)算復(fù)雜，因此基于電化學(xué)模型的鋰電池健康評(píng)估不易建模，實(shí)際應(yīng)用難度較大。

3.2 等效電路模型

等效電路模型從電池的電工學(xué)角度，結(jié)合大量狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，將鋰電池等效為一個(gè)基本的電路模型，用電路模型進(jìn)行電池的健康狀態(tài)評(píng)估。鋰電池基本等效電路模型有Rint模型、RC模型和Thevenin模型3種，PNGV模型和GNL模型是在Thevenin等效電路模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的模型，非線性等效電路模型也有應(yīng)用，文獻(xiàn)[21]介紹了常見(jiàn)的電池等效模型的分類(lèi)和特點(diǎn)，文獻(xiàn)[22]給出了12種電池模型的比較分析。文獻(xiàn)[23]采用RC等效電路模型估計(jì)電池的健康狀態(tài)，對(duì)比研究了不同階次的RC等效電路模型狀態(tài)估計(jì)效果。非線性等效電路模型廣泛應(yīng)用于電池的充放電動(dòng)態(tài)特性研究，模型能很好地反映充電和放電時(shí)時(shí)域和頻域特性。

等效電路模型建模難度比電化學(xué)模型低，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，并且電路模型具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)，但等效電路模型近似等效處理，部分模型在電池參數(shù)無(wú)法獲取情況下會(huì)出現(xiàn)較大的預(yù)測(cè)誤差。

3.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、擬合、試湊、經(jīng)驗(yàn)公式和統(tǒng)計(jì)處理來(lái)獲取電池性能狀態(tài)的變化，總結(jié)出電池的健康狀態(tài)變化規(guī)律，主要有電池阻抗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗姵厝萘抗烙?jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚24]。電池阻抗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)前后時(shí)刻電池阻抗的狀態(tài)變化關(guān)系預(yù)測(cè)電池阻抗趨勢(shì)，利用阻抗和容量關(guān)系預(yù)測(cè)電池容量衰減。電池的容量估計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析描述相鄰時(shí)刻的容量變化關(guān)系，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)電池的健康狀態(tài)和老化過(guò)程。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵詫?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)電池健康狀態(tài)的規(guī)律或遞推關(guān)系，具有建模難度低，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀锢硪饬x不明確，依賴(lài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性有些不足。

4 鋰電池健康狀態(tài)研究的困難

鋰電池的健康狀態(tài)和壽命研究越來(lái)越受重視，然而電池的SOH研究還處于初級(jí)狀態(tài)，主要有以下三個(gè)原因。

(1)研究周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)條件控制嚴(yán)。鋰電池的循環(huán)壽命周期長(zhǎng)，電池的老化實(shí)驗(yàn)周期很長(zhǎng)，例如電池以I1充放電實(shí)驗(yàn)(I1為電池1小時(shí)率放電電流)，充、放電后均靜置0.5 h，那么1 000次循環(huán)需要連續(xù)3 000 h測(cè)試，而鋰電池的循環(huán)壽命不止1 000次，造成電池老化規(guī)律和健康狀態(tài)實(shí)驗(yàn)研究非常耗時(shí)。在測(cè)試過(guò)程中，溫度、充放電電流和充放電截止電壓等需要嚴(yán)格控制，并且每隔一定時(shí)間需要對(duì)電池的老化情況進(jìn)行評(píng)估。

(2)電池內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控和分析困難。鋰電池的SOH研究涉及電池內(nèi)部狀態(tài)變量，如電化學(xué)模型中電池內(nèi)部溫度、電解液濃度和內(nèi)阻等狀態(tài)，而電池的內(nèi)部狀態(tài)準(zhǔn)確監(jiān)控非常困難，還需要對(duì)這些狀態(tài)變量進(jìn)行定量分析，這使得電池的SOH研究需要解決的問(wèn)題難度大。

(3)各種影響因素耦合。電池運(yùn)行的溫度、充放電倍率和放電深度等都是影響電池老化和壽命的因素，而且這些因素是共同作用的，電池SOH的研究要求各種影響因素進(jìn)行解耦。然而這些因素是相互關(guān)聯(lián)的，解耦條件難以控制，目前很難進(jìn)行解耦分析。

5 鋰電池健康狀態(tài)研究意義

電池SOH研究難度大，進(jìn)展緩慢，但是SOH研究對(duì)電池的使用、維護(hù)和評(píng)估有很高價(jià)值，可為規(guī)劃、政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)和參考，具有重要的意義。

5.1 對(duì)電池管理的意義

電池管理系統(tǒng)估算電池荷電狀態(tài)和剩余電量與電池的容量有關(guān)，隨著電池老化，容量衰減，為新電池設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)準(zhǔn)確性降低。電池管理系統(tǒng)若能掌握電池的老化規(guī)律和健康狀態(tài)，將有助于其做好電池全壽命周期的電池管理，準(zhǔn)確估計(jì)電池的各種狀態(tài)，并保護(hù)電池在合理的工作電壓范圍和充放電電流范圍內(nèi)安全使用，避免電池濫用、加速電池老化。

5.2 對(duì)電池使用和維護(hù)的意義

SOH研究有利于掌握電池老化影響因素，為電池的使用和維護(hù)提供理論指導(dǎo)。對(duì)電池的使用和維護(hù)而言，了解影響電池老化的因素可減少高低溫以及過(guò)充過(guò)放等有損電池使用的情況；知悉電池當(dāng)前的健康狀態(tài)，可幫助判斷電池的內(nèi)在隱患和壽命情況，為電池維護(hù)和更換提供參考。

5.3 對(duì)電池經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的意義

SOH的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)電池的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估有重要意義，鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)景、使用方式和維護(hù)手段不同造成電池的壽命差異，使電池的使用成本、經(jīng)濟(jì)效益等經(jīng)濟(jì)性評(píng)估有差別。通過(guò)SOH研究建立電池的老化模型，為分析電池的經(jīng)濟(jì)性提供數(shù)據(jù)支撐，將為企業(yè)投資決策、政府政策制定和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供有效輔助[25]。

6 結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車(chē)的推廣應(yīng)用和電網(wǎng)對(duì)電池儲(chǔ)能的需求，鋰電池的安全性和可靠性受到了廣泛關(guān)注，鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估和管理成為了研究熱點(diǎn)。目前鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估研究已取得一定成果，但是還缺少較為完善的理論體系，對(duì)電池實(shí)際應(yīng)用幫助有限。電池健康影響因素如循環(huán)區(qū)間和充放電倍率等對(duì)電池健康影響的觀點(diǎn)還不統(tǒng)一，鋰電池健康狀態(tài)建模需要進(jìn)一步研究，鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估和準(zhǔn)確壽命預(yù)測(cè)需要更多的測(cè)試和數(shù)據(jù)支持。

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